金属包覆波导传感器及其对银胶溶液折射率的检测方法技术

本发明专利技术提供一种金属包覆波导传感器，包括导波层、耦合层和衬底层，导波层为第一玻璃板，耦合层为覆于第一玻璃板顶部的第一银膜；第一玻璃板下方设有样品室。本发明专利技术还提供一种金属包覆波导传感器对银胶溶液折射率的检测方法，先用金属包覆波导传感器测出纯水的共振峰，然后选取其中某一导模所对应的入射角作为同步角，给出纯水在785nm时的折射率1.392600，以此先确定这个导模所对应的m值；通过导模再测试纳米银胶溶液产生的同步耦合角的变化，从而得出纳米银胶溶液的折射率。本发明专利技术以超高阶导模作为探针，其中模场以振荡场形式传输，具有极高的能量密度，使光与待测样品的相互作用增强，从而有利于探测样品的体参数和生物大分子。

【技术实现步骤摘要】
金属包覆波导传感器及其对银胶溶液折射率的检测方法
本专利技术涉及物质探测
，具体涉及一种金属包覆波导传感器及其对银胶溶液折射率的检测方法。
技术介绍
银纳米颗粒(SilverNanoparticle)在可见-近红外光波段会产生奇异的光学现象，即局域表面等离子体共振(LSPR)，这一光学性质主要被用于SERS检测，其得到的拉曼光谱具有极高的信噪比。除了LSPR光学性质外，银纳米颗粒还具备杀菌抗感染的药学作用，并且其抗菌能力非常强大，远强于现在大量使用的抗生素药物，可在数分钟内杀死650多种细菌，广谱杀菌且无任何的耐药性。尤其针对目前出现的“超级细菌(Superbug)”严重威胁现代医学防护体系，纳米银这种天然抗菌剂拥有十分诱人的前景，吸引了许多科研人员的关注。尽管迄今为止研究人员对纳米银的抗菌机理还没有达成共识，但是比较认可的观点是纳米银颗粒与病原菌的细胞壁/膜结合后，能直接进入菌体、迅速与氧代谢酶的巯基(-SH)结合，使酶失活，阻断呼吸代谢使其窒息而死。因此，探索开发一种能够检测纳米银颗粒与生物大分子之间相互作用的生物传感器，对研究纳米银的药理作用具有重要的意义。SPR分析技术在美、英、日等国掀起了新的研究热潮，每年都有两千多篇论文发表。SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段，与传统检测手段比较，具有实时检测、无需标记、耗样量较少等突出优点，在生物工程、医学、食品工业等多个领域都有广阔的应用前景。但是，针对表面等离子共振(SPR)技术的研究发现，由于表面等离子波传输于金属与介质之间的界面上，而金属对可见和红外波段的光有吸收，衰减全反射曲线共振吸收峰的半高全宽(FWHM)较大，严重地限制了SPR传感器的探测灵敏度。其次，传播于金属与样品表面的光场呈指数衰减形式(倏逝场)，探测深度仅为200nm左右，使该技术不仅需要复杂的固相偶联过程，而且无法探测微米尺度的病毒、细菌或细胞。另外，SPR的有效折射率必须大于样品的折射率，造成较大的共振群速度，降低了光与样品的相互作用时间和距离。基于SPR的折射率传感的实验原理如图1所示，SPR传感器的组成如下：在玻璃棱镜底部沉积一层约50nm厚的银膜，就构成一个最简单地SPR传感器。SPR传感器是通过金属样品界面处的消逝场与物质的相互作用，来反应出样品的相关信息。SPR波导的截面如图2所示，假定棱镜、银膜和样品的介电常数分别是εS0，εS1和εS2，则其本征方程为：式中，k0＝2π/λ是自由空间中的波数，是导模的传播常数。根据SPR波导的模式本征方程，只要知道耦合角θ的值，原则上就可计算出样品的折射率。利用SPR传感器测量银胶溶液的折射率的结果发现：利用SPR技术无法测量金属纳米粒子溶液的有效折射率，因为溶液的有效折射率是一个体参数，而SPR有限的探测深度不能胜任，更加严重的是，金属纳米粒子会附着在SPR的金属膜表面，从而改变金属膜的厚度，给出完全错误的实验结果。对于银胶这类具有微小颗粒的溶液来说，SPR传感器中由于颗粒的吸附作用会改变金属膜的厚度，进而导致耦合条件发生变化，使其无法用于检测样品的折射率等参数。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种金属包覆波导传感器及其对银胶溶液折射率的检测方法，具有极高的灵敏度，并且金属波导的特殊结构可以有效地规避颗粒的吸附作用，对银胶一类的溶液依然可以探测其折射率等参数。因此，金属包覆波导传感器是一项研究纳米银生化性能的有力工具。为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供一种金属包覆波导传感器，包括导波层、耦合层和衬底层，所述导波层为第一玻璃板，所述耦合层为覆于第一玻璃板顶部的第一银膜，所述衬底层为设于第一玻璃板下方的第二银膜，所述第二银膜的厚度大于第一银膜的厚度；所述第一玻璃板与衬底层之间设有一个用于注入待测样品的样品室，所述样品室的外侧围设有玻璃板。其中，所述第二银膜的顶部复合有SiO2薄膜。其中，所述衬底层的下方设有第二玻璃板。优选的，所述待测样品为纳米银胶溶液。本专利技术还提供一种金属包覆波导传感器对银胶溶液折射率的检测方法，包括如下步骤：(1)根据金属包覆波导传感器的截面图，假定空气、银膜、玻璃、样品的介电常数分别是ε0、ε1、ε2和ε3，玻璃和样品室的厚度为h2和h3，则其本征方程为：式中：其中，β是导模的传播常数，α21和α31是导模在两侧金属膜中的衰减系数；(2)纳米银胶溶液的折射率与纯水的折射率接近，先用金属包覆波导传感器测出纯水的共振峰，然后选取其中某一导模所对应的入射角作为同步角，给出纯水在785nm时的折射率1.392600，以此先确定这个导模所对应的m值；(3)通过步骤(2)中的导模再测试纳米银胶溶液产生的同步耦合角的变化，从而得出纳米银胶溶液的折射率。本专利技术还提供一种金属包覆波导传感器对银胶溶液折射率的测试装置，包括准直激光发射器、光圈、偏振器、金属包覆波导传感器和θ/2θ转台，所述光圈上设有供准直激光穿过的光孔，所述准直激光发射器、光孔、偏振器、金属包覆波导传感器在准直激光的发射光路上依次设置，所述金属包覆波导传感器放置于θ/2θ转台的中心槽内，所述θ/2θ转台由步进电动机驱动旋转，所述θ/2θ转台上设有光电探头，所述光电探头通过A/D转换器与计算机电性连接，所述计算机内设有反射谱生成软件。其中，所述步进电动机由计算机控制。优选的，所述准直激光的功率为100mW，波长为785nm。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：1、本专利技术以超高阶导模作为探针，其中模场以振荡场形式传输，具有极高的能量密度，使光与待测样品的相互作用增强，从而有利于探测样品的体参数和生物大分子。2、本专利技术由于双面金属包覆，超高阶导模的有效折射率趋近于零，样品折射率可不受限制，有利于水溶液环境和接近自然状态下生物样品的研究。(3)本专利技术的金属衬底由一层微米尺度的SiO2薄膜进行保护，可有效防止样品中的微粒吸附于金属膜上而破坏导模的存在条件，避免出现SPR波导中传感器灵敏度下降甚至完全失效的情况。因此，基于金属包覆波导的折射率传感器具有广阔的科研和商业应用前景。附图说明图1为本专利技术
技术介绍
中SPR的折射率传感器的实验原理图；图2为本专利技术
技术介绍
中SPR波导的截面图；图3为本专利技术中金属包覆波导传感器的实验原理图；图4为本专利技术中金属包覆波导的截面图；图5为本专利技术中四种不同粒径的银纳米颗粒的消光光谱；图6为本专利技术中金属包覆波导传感器对银胶溶液折射率的测试装置的原理图；图7为本专利技术中基于SPR传感器的银胶溶液折射率的测试结果图；图8为本专利技术中金属包覆波导传感器中测试的银胶溶液的反射谱图。附图标记说明：1、第一玻璃板；2、耦合层；3、衬底层；4、样品池；5、玻璃板。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属包覆波导传感器，其特征在于，包括导波层、耦合层和衬底层，所述导波层为第一玻璃板，所述耦合层为覆于第一玻璃板顶部的第一银膜，所述衬底层为设于第一玻璃板下方的第二银膜，所述第二银膜的厚度大于第一银膜的厚度；所述第一玻璃板与衬底层之间设有一个用于注入待测样品的样品室，所述样品室的外侧设有玻璃板。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属包覆波导传感器，其特征在于，包括导波层、耦合层和衬底层，所述导波层为第一玻璃板，所述耦合层为覆于第一玻璃板顶部的第一银膜，所述衬底层为设于第一玻璃板下方的第二银膜，所述第二银膜的厚度大于第一银膜的厚度；所述第一玻璃板与衬底层之间设有一个用于注入待测样品的样品室，所述样品室的外侧设有玻璃板。


2.根据权利要求1所述的金属包覆波导传感器，其特征在于，所述第二银膜的顶部复合有SiO2薄膜。


3.根据权利要求1所述的金属包覆波导传感器，其特征在于，所述衬底层的下方设有第二玻璃板。


4.根据权利要求1所述的金属包覆波导传感器，其特征在于，所述待测样品为纳米银胶溶液。


5.一种如权利要求1-4中任一项所述的金属包覆波导传感器对银胶溶液折射率的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据金属包覆波导传感器的截面图，假定空气、银膜、玻璃、样品的介电常数分别是ε0、ε1、ε2和ε3，玻璃和样品室的厚度为h2和h3，则其本征方程为：



式中：









其中，β是导模的传播常数，α21和α31是导模在两侧金属膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆炎，邓小燕，刘雪玉，翟羽，王昕灿，龚旭，孙春洋，
申请(专利权)人：江苏航运职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32